CHD2A1型電力蓄電池牽引車的電氣主電路設(shè)計(jì)與分析

趙景宏

（中車大同電力機(jī)車有限公司,山西大同 037038）

目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)的地鐵牽引工程車很多采用電力和內(nèi)燃雙動(dòng)力為主，其由于在隧道作業(yè)環(huán)境里污染嚴(yán)重，弊端太大。而電力蓄電池牽引車由于其采用接觸網(wǎng)及牽引鉛酸蓄電池雙能源供電系統(tǒng)，噪聲低、無污染、低碳環(huán)保等特點(diǎn)，在地鐵這種作業(yè)環(huán)境下具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因此受到越來越多地鐵公司青睞而發(fā)展迅速。

CHD2A1型電力蓄電池牽引車主要用于城市軌道交通的段內(nèi)調(diào)車及線路維護(hù)，牽引蓄電池作為整車儲(chǔ)備能源在接觸網(wǎng)無電的情況下為整車提供動(dòng)力。由于工程車采用2種供電制式，因此在主電路設(shè)計(jì)方面與一般機(jī)車還是有很大區(qū)別，因此對(duì)其主電路的原理設(shè)計(jì)和參數(shù)的研究，整車的開發(fā)和應(yīng)用有一定的意義。

1 CHD2A1型電力蓄電池牽引車主電路

CHD2A1型蓄電池牽引車采用2種供電制式，DC 1 500 V接觸網(wǎng)供電與DC 800 V牽引蓄電池供電，主電路原理如圖1所示。

圖1 CHD2A1型蓄電池牽引車主電路原理圖

接觸網(wǎng)供電模式：接觸網(wǎng)DC 1 500 V經(jīng)過受電弓AP、避雷器PF、經(jīng)二位置轉(zhuǎn)換開關(guān)（至受電弓位）QS、熔斷器FU1、雙極接觸器KM-AP、差動(dòng)電流傳感器SC3、直流高速斷路器QF（M）等向牽引變流器和輔助變流器供電。

牽引蓄電池供電模式：牽引電路由8個(gè)牽引蓄電池組串聯(lián)，經(jīng)牽引蓄電池隔離開關(guān)QS-QBA、熔斷器FU2、FU3、電流傳感器SC1，電壓傳感器SV1、反向二極管D3、單極接觸器KM-BPSU、直流高速斷路QF（M）等向牽引變流器和輔助變流器供電。其中二極管D1、電阻R3和二極管D2、電阻R4分別作為電抗器L01、電抗器L02的放電電路。而牽引蓄電池的充電是庫(kù)內(nèi)AC 380 V電源經(jīng)過庫(kù)內(nèi)插座PC1/2-QUAI、輔助變流器內(nèi)的充電機(jī)、充電接觸器KM-BACH向牽引蓄電池組進(jìn)行充電。由電流傳感器SC2、電阻R5組成牽引蓄電池漏電監(jiān)測(cè)電路，當(dāng)牽引蓄電池存在漏電情況時(shí)，牽引車進(jìn)行提示。

2 牽引變流器

牽引變流器由接觸器單元、IGBT單元（IGBT采用熱管走行風(fēng)冷）、斬波單元，控制單元等組成，其原理如圖2所示，每個(gè)逆變器模塊集成三相逆變器的三相橋臂及制動(dòng)相橋臂并驅(qū)動(dòng)2臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)，2個(gè)逆變器模塊集成在1個(gè)牽引逆變器箱中［1］。

圖2 牽引變流器原理圖

牽引變流器由接觸網(wǎng)和牽引蓄電池提供輸入電源，通過主接觸器等器件分合。牽引變流器采用DC-AC變換模式，工程車在牽引工況下，每組逆變器通過直—交變換，采用變壓變頻（VVVF）方式，向4臺(tái)牽引電機(jī)M1、M2、M 3、M4供電，實(shí)現(xiàn)了工程車的軸控。制動(dòng)時(shí)將三相交流電轉(zhuǎn)化為直流電反饋到蓄電池，或者通過制動(dòng)電阻以發(fā)熱的形式消耗再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能（接觸網(wǎng)供電時(shí)，再生制動(dòng)優(yōu)先，接觸網(wǎng)無法吸收能量時(shí)采用電阻制動(dòng)；蓄電池供電時(shí)，再生制動(dòng)優(yōu)先，此時(shí)反饋的能量采用電阻制動(dòng)消耗）。

3 輔助變流器

整個(gè)輔助變流器由2個(gè)部分組成，1個(gè)輔助逆變部分，1個(gè)充電機(jī)部分，如圖3所示。輔助逆變部分又由中頻隔離降壓模塊和逆變模塊組成。

圖3 輔助變流器原理圖

輔助逆變部分主要功能：將高壓直流DC 1 500 V電源隔離逆變成三相四線380 V和單相220 V電源，主壓縮機(jī)、空調(diào)、散熱風(fēng)機(jī)等交流負(fù)載供電。另外在庫(kù)內(nèi)三相380 V供電時(shí)，輔助逆變部分具有一定的負(fù)載能力，同時(shí)接入1個(gè)變壓器可以從U、V、W相中任意一相與變壓器中心線N之間取出AC 220 V交流電［2］。

輔助逆變部分工作原理：接觸網(wǎng)（蓄電池）供電時(shí)，輸入直流DC 1 500 V通過電抗器L1、FU6，然后通過KM 1、KM2和R1組成的預(yù)充電電路，經(jīng)過熔斷器FU2后，然后經(jīng)過UP2中頻模塊隔離降壓輸出DC 600 V穩(wěn)定的直流，再經(jīng)過逆變模塊UA1和正弦波濾波器Z1輸出AC 380 V給輔助系統(tǒng)供電，其中由Z型變壓器Z2提供輸出中線。庫(kù)內(nèi)AC 380 V供電時(shí)，中頻模塊接受母線充電機(jī)的輸出電源（DC 921 V～DC 1 030 V），再通過中頻模塊隔離降壓、逆變之后最終通過KM6輸出AC 380 V。

充電機(jī)部分主要功能：將接觸網(wǎng)的DC 1 500 V電源，通過交錯(cuò)斬波降壓模塊變換為電壓較低的DC 921 V電源，給牽引蓄電池充電。同時(shí)，充電機(jī)具有庫(kù)內(nèi)充電功能，能夠?qū)⑷?80 V交流電源通過整流、升壓變換為電壓較高的DC 921 V直流電壓給蓄電池充電。另外充電機(jī)有充電管理功能，能根據(jù)牽引蓄電池的充電特性來控制充電電流和充電電壓，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

充電機(jī)部分工作原理：采用雙向斬波電路。當(dāng)采用接觸網(wǎng)供電時(shí)，輸入直流DC 1 500 V通過電抗器L1、FU6，然后通過KM1、KM2和R1組成的預(yù)充電電路，經(jīng)過熔斷器FU1輸入電容C1充電，充電完成之后，主接觸器KM1吸合，由VT 1、VT 2、L4、L3、L2和C2組成斬波降壓電路，將輸入電壓降到額定DC 921 V，充電機(jī)通過KM 5、VT 14A、VT 14B輸出給牽引蓄電池充電。當(dāng)采用庫(kù)內(nèi)AC 380 V給牽引蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，通過KM7或KM 8輸入三相AC 380 V，再經(jīng)過整流橋UP3和C2組成的濾波電路得到比較平滑的直流DC 530 V。VT 1、VT 2、C1和L2、L3、L4構(gòu)成1個(gè)斬波升壓電路，將DC 530 V升壓到DC 921 V，充電機(jī)通過KM4、VT 14A、VT 14B輸出給牽引蓄電池充電。

4 電氣部件參數(shù)分析

根據(jù)CHD2A1型牽引車總體技術(shù)設(shè)計(jì)要求，采用接觸網(wǎng)DC 1 500 V供電時(shí)，牽引車可以保證網(wǎng)壓在DC 1 000 V～DC 1 800 V之間，按額定功率400 kW發(fā)揮；當(dāng)采用牽引蓄電池DC 800 V供電時(shí)，牽引車可以在電壓DC 750 V～DC 921 V之間，按額定功率300 kW發(fā)揮；電壓DC 652 V～DC 750 V之間，功率線性下降到250 kW；電壓低于652 V，封鎖牽引，功率降為0。其電制動(dòng)最大功率為300 kW。

4.1 避雷器PF

避雷器的主要參數(shù)有持續(xù)運(yùn)行電壓Uc、標(biāo)稱放電電流、雷電沖擊保護(hù)水平。

避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓是允許持續(xù)加到避雷器端子間的工頻電壓有效值。避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓應(yīng)大于系統(tǒng)的最大持續(xù)電壓。對(duì)于DC 1 500 V系統(tǒng)來說最高運(yùn)行電壓即為1 800 V，因此選擇避雷器的連續(xù)運(yùn)行電壓為2 000 V，滿足設(shè)計(jì)要求［3］。

DC 1 500 V直流供電變電站輸入電壓多為110 kV，為保證與變電站避雷器的相互配合，一般車輛避雷器與變電站避雷器的標(biāo)稱放電電流應(yīng)為同一等級(jí)。對(duì)于110 kV～220 kV系統(tǒng)采用標(biāo)稱放電電流為10 kA的避雷器較為合適。因此牽引車上使用的避雷器標(biāo)稱放電電流為10 kA，滿足設(shè)計(jì)要求。

雷電沖擊保護(hù)水平以及操作沖擊保護(hù)水平均指避雷器在規(guī)定波形的沖擊電流下的最大殘壓。根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)避雷器不緊靠被保護(hù)設(shè)備時(shí)，設(shè)備的額定雷電沖擊耐受電壓與雷電沖擊保護(hù)水平之間的絕緣配合系數(shù)不小于1.4。DC 1 500 V系統(tǒng)設(shè)備的額定沖擊耐受電壓為8 kV，則避雷器殘壓不能大于5.7 kV（8/1.4=5.7 kV），牽引車選用避雷器的10 kA雷電沖擊殘壓值為4.8 kV，小于5.7 kV，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 輸入主熔斷器

受電弓供電時(shí)，額定電壓為1 500 V，最高值1 800 V，最低值1 000 V，功率為400 kW，輔助功率80 kVA，直流充電功率80 kW。計(jì)算通過熔斷器的電流公式為式（1）：

式中：輪軸功率P牽=400 kW，牽引電機(jī)效率η1=0.92，牽引逆變器效率η2=0.98，齒輪傳動(dòng)效率η3=0.98，輔 助 變 流 器 容 量S輔=80 kVA，輔 助逆變器功率因數(shù)cosφ=0.86，輔助逆變器效率η4=0.98，充電機(jī)的功率P充=80 kW，充電機(jī)效率為η5=0.98，電壓U選擇最低網(wǎng)壓為1 000 V，可以通過式（1）計(jì)算出熔斷器電流I熔為612 A，選擇熔斷器參數(shù)為2 000 V/630 A。

4.3 濾波參數(shù)

主電路濾波器的設(shè)計(jì)主要為濾波電抗器電感、濾波電容器電容值的確定。電容的容值計(jì)算公式為式（2）：

式中：P為整車功率的一半，200 kW；f額為額定頻率，50 Hz；ΔU為網(wǎng)壓波動(dòng)，100 V；Ud為額定網(wǎng)壓1 500 V，通過式（2）可以計(jì)算電容C=4.5 mF。主電路濾波器的電感、電容中會(huì)構(gòu)成一個(gè)諧振電路，諧振頻率計(jì)算公式為式（3）：

根據(jù)TB/T 2859-1997，可以看出城市軌道車輛軌道電路調(diào)制頻率不大于29 Hz，因此計(jì)算出的濾波器諧振頻率使其避開信號(hào)系統(tǒng)的調(diào)制頻率點(diǎn)。所以取f諧應(yīng)大于軌道電路調(diào)制頻率，所以f諧取30 Hz，通過式（2）中計(jì)算的電容C=4.5 mF，通過式（3）可以計(jì)算出電感值為L(zhǎng)=6 mH。

4.4 預(yù)充電電阻

預(yù)充電電阻的計(jì)算，需要考慮電路中功率元器件的電流容量，直流回路電容部件的容量、充電時(shí)間等。根據(jù)預(yù)充電電阻的工作過程，可以簡(jiǎn)化電路，搭建Matlab模型，預(yù)充電電阻模型如圖4所示，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 預(yù)充電電阻模型

圖5 仿真結(jié)果

從上述仿真結(jié)果可以看出，預(yù)充電電阻選取參數(shù)為：

阻值：50Ω；電阻的沖擊能量：0.5 s承受5 kJ（0.5 s時(shí)中間電壓為1 300 V）

4.5 直流高速斷路器

直流高速斷路器需要確定的參數(shù)有額定工作電壓、約定的發(fā)熱電流、直流瞬時(shí)脫扣、開斷電流 等，公式為式（4）：

式 中：P牽、η1、η2、η3、S輔、cosφ、η4、P充、η5、U取值同式（1），壓縮機(jī)容量S壓=15.5 kVA，壓縮機(jī)啟動(dòng)容量S壓?jiǎn)?dòng)=120 kVA，可以計(jì)算出高速斷路器脫扣電流I脫為803 A，而直流瞬時(shí)脫扣電流I瞬=803/0.9=892 A（0.9為其斷路器余量），所以取瞬時(shí)脫扣電流整定值為900 A（需大于直流瞬時(shí)脫扣電流）。

4.6 蓄電池回路反串流二極管

蓄電池回路的續(xù)流二極管作用是防止接觸網(wǎng)供電時(shí)的電流串入牽引蓄電池中，流入二極管的最大電流計(jì)算為式（5）：

式 中：輪 軸 功 率P牽=300 kW，η1、η2、η3、S輔、cosφ、η4、P充、η5取值同式（1），電壓U選擇最低蓄電池電壓750 V，通過式（5），可以計(jì)算通過的二極管電流Id為546 A。

根據(jù)計(jì)算的電流大小，二極管選用的型號(hào)ZP9 1 000 A/6 500 V。由于二極管通過的電流大，因此需計(jì)算二極管的散熱量。散熱器Q=Id×ΔU=546×1.4=764 W（ΔU為二極管的壓降）。

4.7 電抗器續(xù)流電阻

在主電路斷電后，電抗器由于為感性元件，會(huì)存儲(chǔ)相應(yīng)的電能，因此需要進(jìn)行放電處理，防止對(duì)人身的傷害，通過串聯(lián)電阻，讓其5 min之內(nèi)電流降到10 mA（人體安全標(biāo)準(zhǔn)）以下。

根據(jù)公式（6）：

式中：τ=L/R，t=300 s，L=6 mH，i（t）=10 mA，imax=5 000 A，可以得R＞0.000 26Ω，在這個(gè)牽引車中續(xù)流電阻R=1Ω。

5 小結(jié)

目前CHD2A1型電力蓄電池牽引車已經(jīng)做完各項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合技術(shù)要求，由此驗(yàn)證了其主電路原理和參數(shù)計(jì)算的正確性，此牽引車也即將配給呼和浩特地鐵公司進(jìn)行運(yùn)用考核。